Ein Gespräch mit Dr. Katharina Fricke, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Projektkoordinatorin des mFUND-Projekts „Moderne Sensorik und luftgestützte Fernerkundung für vegetationskundliche und hydromorphologische Anwendung an Wasserstraßen“ (mDRONES4rivers).

Die Erkundung auf den Rohstoff Braunkohle hat in Mitteldeutschland eine lange Tradition. Auch heute noch werden Lagerstätteninformationen im Rahmen großer Bohrkampagnen erhoben. Auf Grundlage von Lagerstättenmodellen werden groß angelegte Erkundungsprojekte geplant, die heute vorrangig Aussagen zur Kohlenqualität liefern sollen sowie eine Vervollständigung und Überprüfung der Datenlage darstellen. Langjährig entwickelte Methoden zur Erkundung von Braunkohlenlagerstätten, die zuletzt 1985 in der „Erkundungsmethodik Braunkohle“ zusammengetragen wurden, behalten in ihren Grundsätzen nach wie vor Gültigkeit. Mit betriebseigenen Anpassungen und Weiterentwicklungen wurden in den beiden mitteldeutschen Großtagebauen der MIBRAG in den letzten 10 Jahren zwei Erkundungskampagnen für geplante Abbaufelder projektiert und realisiert. Insbesondere bei Erfassung, Verwaltung und Weiterverwendung der Explorationsdaten stehen heute digitale Möglichkeiten zur Verfügung, die den Gesamtprozess der Erkundung effizienter gestalten und neue Möglichkeiten schaffen. Vorgestellt wird ein komplexes geotechnisches Bohrinformationssystem, dass bei MIBRAG zur Erfassung und Weiterverarbeitung von Erkundungsdaten zum Einsatz kommt. Letztlich bildet das System, insofern auch Altdaten nachgespeichert werden, ein modernes digitales Lagerstättenarchiv. / The exploration for the raw material brown coal has a long tradition in central Germany. Even today, deposit information is collected as part of large drilling campaigns. On the basis of deposit models, large-scale exploration projects are planned, which today are primarily intended to provide statements on the quality of coal and represent a completion and review of the data situation. Long-established methods for exploring lignite deposits, which were last compiled in the 'Brown coal exploratory methodology' in 1985, remain valid in their principles. With inhouse adjustments and further developments, two exploration campaigns for projected mining fields were planned and implemented in the two central German large-scale opencast mines of MIBRAG in the last 10 years. In particular, in the acquisition, management and usage of exploration data digital capabilities are now available that make the overall exploration process more efficient and create new opportunities. A complex geotechnical drilling information system will be presented, which is used by MIBRAG for the acquisition and further processing of exploration data. Ultimately, as long as legacy data is re-stored, the system forms a modern deposit archive.

Wetland sites provide important knowledge about settlement history and historical infrastructure in the form of buried archaeological features. However, the subsurface is difficult to access, e.g. due to high groundwater levels or unstable sediments, making archaeological excavation difficult and the conservation of recovered artefacts, e.g. timbers, is expensive. In addition, one of the aims of heritage conservation is to disturb structures in such contexts as little as possible as part of preserving. Therefore, alternative non- and minimal-invasive methods, e.g. geophysical prospection and vibra-coring, are used for exploration. However, geophysical surveys face the issue of inaccurate depth values and rely on sufficient contrasts in the measured physical parameters. Vibra-coring allows direct access to the sediments, but again gives inaccurate depth values due to high compaction rates. For this reason, the implementation of alternative methods and the development of new methodical approaches to wetland site exploration are of extraordinary importance. One such wetland site is the Fossa Carolina, an early medieval canal that today is partially buried. Located in Southern Germany next to Treuchtlingen, south of Nuremberg, the canal was intended at the time to provide a navigable link between the Rhine-Main and Danube basins by bridging the European watershed. In the research for this thesis, direct push sensing was used as an alternative exploration technique to explore the site. In this method, various probes are pushed into the unconsolidated subsoil and the parameters are measured in situ with high depth accuracy. (i) Therefore, the colour logging tool (CLT) and the electrical conductivity (EC) probe were applied. (ii) In order to record archaeological structures and features, the soundings were distributed closely along a transect using an adaptive exploration strategy, thus recording a high-resolution cross-section of the structure. (iii) These prospections were integrated into a spatial-hierarchical multi-method approach by combining direct push sensing with geophysical survey and vibra-coring, inter alia. (iv) Thus, a deeply buried section of the Fossa Carolina (West-East Section) was explored, demonstrating at least one-way navigability and revealing the backfill stratigraphy. (v) Furthermore, the approach used helped to clarify the nature of conspicuous magnetic anomalies in the area adjacent to the canal. In the Northern and North-Eastern Sections, magnetic anomalies provided evidence of water-supplying structures. The exploration of these structures revealed an Early Holocene structure in the North-Eastern Section and a historic gravel road in the Northern Section. (vi) Additionally, a strong magnetic anomaly with a course parallel to the canal in the Northern Section could be temporally and stratigraphically associated with the construction of the canal. Thus, for the first time, a larger remnant of the construction process outside the canal could be identified, even if the origin could not be conclusively clarified. (vii) In a broader context, the in situ direct push cross-sections were integrated into a 3D modelling approach for the entire Fossa Carolina to quantify the excavation volume. (viii) The methodological approach was successfully applied to a wetland site at Pestenacker in Southern Germany to collect evidence for Holocene floodplain dynamics in the Late Neolithic settlement. Finally, the thesis demonstrates the enormous methodological potential of direct push sensing for the exploration of buried archaeological sites. In particular, the colour logging tool is proving to be extremely effective, further enhanced by the intelligent combination in multi-method approaches. This is confirmed by the significant results obtained at Fossa Carolina that shed new light on the canal{'}s navigability, water supply, and construction structure. Overall, this thesis demonstrates the valuable contribution that direct push methods can make to geoarchaeological research. It both introduces a new methodological approach and provides new empirical evidence concerning the construction of an example of early medieval infrastructure.:Preface Acknowledgements Abstract Kurzfassung Contents List of Figures List of Tables Acronyms and Symbols 1 Introduction 1.1 Geoarchaeological exploration in wetlands: possibilities and challenges 1.1.1 Proven exploration methods 1.1.2 Direct push sensing 1.1.3 Exploration strategies 1.2 The study site 1.2.1 The Fossa Carolina - State of the art in brief 1.2.2 Natural settings 1.3 Aims of the thesis 2 Published Studies 2.1 Minimalinvasive Direct-push-Erkundung in der Feuchtboden(geo)archäologie am Beispiel des Karlsgrabens (Fossa Carolina) 2.2 Non-invasive prospection techniques and direct push sensing as high-resolution validation tools in wetland geoarchaeology – Artificial water supply at a Carolingian canal in South Germany? 2.3 High-Resolution Direct Push Sensing in Wetland Geoarchaeology—First Traces of Off-Site Construction Activities at the Fossa Carolina 2.4 3D-Modelling of Charlemagne’s Summit Canal (Southern Germany)—Merging Remote Sensing and Geoarchaeological Subsurface Data 2.5 A hydrological tipping point and onset of Neolithic wetland occupation in Pestenacker (Lech catchment, S Germany) 3 Discussion 3.1 Direct push sensing for wetland exploration 3.1.1 High-resolution direct push sensing cross-sections 3.1.2 Integration and comparison of direct push sensing in a spatially hierarchical multi-method approach 3.1.3 Direct push colour logging tool (CLT) data for ground truthing 3.1.4 Perspectives on direct push sensing in geoarchaeology 3.2 Results of the exploration of the Fossa Carolina 3.2.1 Chronostratigraphic recording in the West-East and Northern Sections 3.2.2 Characteristics of the canal construction in the West-East and Northern Sections 3.2.3 Validation of off-canal structures in the Northern and North-Eastern Sections 3.2.4 Water supply for the Fossa Carolina 3.2.5 Pending issues in the study of the Fossa Carolina 4 Conclusion References Appendix A1 - Author publications A2 - Article contribution A3 - Declaration of originality A4 - Bibliographic description / Feuchtgebiete bergen durch begrabene archäologische Strukturen wichtige Erkenntnisse zur Siedlungsgeschichte und historischen Infrastruktur. Schwierige Untergrundverhältnisse, z. B. durch hohen Grundwasserspiegel oder instabile Sedimente, erschweren jedoch archäologische Ausgrabungen und die Konservierung der geborgenen Artefakte, z. B. Hölzer, verursacht hohe Kosten. Darüber hinaus ist ein Ziel der Bodendenkmalpflege, archäologische Strukturen so wenig wie möglich zu beeinträchtigen und sie in situ zu erhalten. Daher werden alternative nicht- und minimal-invasive Methoden, z. B. geophysikalische Prospektionen und Rammkernsondierungen, zur Exploration eingesetzt. Bei geophysikalischen Untersuchungen ergeben sich jedoch Schwierigkeiten durch ungenaue Tiefenwerte und die Methoden sind auf ausreichende Kontraste der gemessenen physikalischen Parameter angewiesen. Rammkernsondierungen ermöglichen einen direkten Zugriff auf die Sedimente, erzeugen jedoch wiederum ungenaue Tiefenwerte durch hohe Kompaktionsraten. Aus diesem Grund sind die Implementierung alternativer Methoden und die Entwicklung neuer methodischer Ansätze für die Erforschung von Feuchtgebietsstandorten von herausragender Bedeutung. Die Fossa Carolina, ein frühmittelalterlicher, heute teilweise verschütteter Kanal, ist ein solcher Standort. Das Bauwerk befindet sich in Süddeutschland in der Nähe von Treuchtlingen, südlich von Nürnberg und sollte eine schiffbare Verbindung zwischen dem Rhein-Main- und dem Donaueinzugsgebiet herstellen, indem es die europäische Hauptwasserscheide überbrückte. Zur Erkundung des Bauwerks wurde als Alternative die in situ Direct-Push-Methode eingesetzt. Bei dieser Methode werden verschiedene Sonden in den unkonsolidierten Untergrund gedrückt und die Parameter in situ tiefengenau gemessen. (i) Dabei kamen die Farbsonde, engl. colour logging tool (CLT), und die Sonde zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit, engl. electrical conductivity (EC) probe, zum Einsatz. (ii) Zur Erfassung archäologischer Strukturen und Befunde wurden die Sondierungen mit einer adaptiven Erkundungsstrategie auf einem Transekt engmaschig verteilt und somit ein hochaufgelöster Querschnitt des Bauwerks erfasst. (iii) Darüber hinaus wurden diese Prospektionen in einen räumlich-hierarchischen Multimethodenansatz integriert, indem in situ Direct-Push-Sondierungen mit z. B. geophysikalischen Erkundungen und Rammkernsondierungen kombiniert wurden. Somit wurde (iv) ein tiefliegender, begrabener Abschnitt der Fossa Carolina im West-Ost-Bereich erkundet, dort die Schiffbarkeit für mindestens eine Schiffsbreite nachgewiesen und die Sedimentstratigraphie der Verfüllung beschrieben. Weiterhin wurde der Ansatz genutzt, um magnetische Anomalien im Umfeld des Kanals zu prospektieren. (v) Im nördlichen und nordöstlichen Bereich lieferten magnetische Anomalien Hinweise auf wasserzuführende Bauwerke im Untergrund. Die Erkundung ergab eine frühholozäne Struktur im nordöstlichen Bereich und eine historische Schotterstraße im nördlichen Bereich. (vi) Weiterhin konnte eine starke magnetische Anomalie mit parallelem Verlauf zum Kanal im nördlichen Bereich zeitlich und stratigraphisch dem Bauwerk zugeordnet werden. Somit konnte zum ersten Mal eine größere Spur des Baus außerhalb des Kanals nachgewiesen werden, auch wenn die Entstehung nicht abschließend geklärt werden konnte. (vii) Im übergeordneten Kontext konnten die Daten der in situ Direct-Push-Transekte in einen 3D-Modellierungsansatz für die gesamte Fossa Carolina zur Quantifizierung des Aushubs integriert werden. (viii) Neben der Erforschung der Fossa Carolina wurde der methodische Ansatz zusätzlich an einem Feuchtgebietsstandort bei Pestenacker in Süddeutschland angewendet, um Informationen über die holozäne Auendynamik an der spätneolithischen Siedlung zu gewinnen. Schlussendlich belegt die Dissertation das enorme methodische Potential der in situ Direct-Push-Erkundungen für die Prospektion von Bodendenkmälern. Dabei erweist sich insbesondere die Farbsonde als äußerst wirkungsvoll, was durch die gezielte Kombination in multi-methodischen Ansätzen noch verstärkt wird. Dies wird durch die aussagekräftigen Ergebnisse an der Fossa Carolina belegt, mit deren Hilfe insbesondere neue Erkenntnisse zur Schiffbarkeit, Wasserzuführung und Baustruktur gewonnen werden konnten. Insgesamt demonstriert diese Dissertation den wertvollen Beitrag, den in situ Direct-Push-Methoden zur geoarchäologischen Forschung leisten können. Sie präsentiert sowohl einen neuen methodischen Ansatz als auch neue empirische Erkenntnisse zu einem frühmittelalterlichen Bauwerk.:Preface Acknowledgements Abstract Kurzfassung Contents List of Figures List of Tables Acronyms and Symbols 1 Introduction 1.1 Geoarchaeological exploration in wetlands: possibilities and challenges 1.1.1 Proven exploration methods 1.1.2 Direct push sensing 1.1.3 Exploration strategies 1.2 The study site 1.2.1 The Fossa Carolina - State of the art in brief 1.2.2 Natural settings 1.3 Aims of the thesis 2 Published Studies 2.1 Minimalinvasive Direct-push-Erkundung in der Feuchtboden(geo)archäologie am Beispiel des Karlsgrabens (Fossa Carolina) 2.2 Non-invasive prospection techniques and direct push sensing as high-resolution validation tools in wetland geoarchaeology – Artificial water supply at a Carolingian canal in South Germany? 2.3 High-Resolution Direct Push Sensing in Wetland Geoarchaeology—First Traces of Off-Site Construction Activities at the Fossa Carolina 2.4 3D-Modelling of Charlemagne’s Summit Canal (Southern Germany)—Merging Remote Sensing and Geoarchaeological Subsurface Data 2.5 A hydrological tipping point and onset of Neolithic wetland occupation in Pestenacker (Lech catchment, S Germany) 3 Discussion 3.1 Direct push sensing for wetland exploration 3.1.1 High-resolution direct push sensing cross-sections 3.1.2 Integration and comparison of direct push sensing in a spatially hierarchical multi-method approach 3.1.3 Direct push colour logging tool (CLT) data for ground truthing 3.1.4 Perspectives on direct push sensing in geoarchaeology 3.2 Results of the exploration of the Fossa Carolina 3.2.1 Chronostratigraphic recording in the West-East and Northern Sections 3.2.2 Characteristics of the canal construction in the West-East and Northern Sections 3.2.3 Validation of off-canal structures in the Northern and North-Eastern Sections 3.2.4 Water supply for the Fossa Carolina 3.2.5 Pending issues in the study of the Fossa Carolina 4 Conclusion References Appendix A1 - Author publications A2 - Article contribution A3 - Declaration of originality A4 - Bibliographic description

Basierend auf einer Analyse der spezifischen Merkmale der Drucksondierung (DS) und der radiometrischen Kombinationsdrucksondierung (KDS) sowie einer Dimensionsanalyse wurde ein Verfahren zur Aufstellung materialspezifischer Korrelationsbeziehungen zwischen den Messgrößen der Drucksondierung und den bei der KDS gewonnenen bodenphysikalischen Parametern Porenanteil, Dichte und Feinkornanteil entwickelt, wodurch die Effizienz von Drucksondierungen signifikant erhöht werden konnte. Es wird anhand geostatistischer Untersuchungen gezeigt, wie der für flächendeckende Untersuchungen erforderliche Mindestabstand zwischen Sondieransatzpunkten bestimmt werden kann. Möglichkeiten der Darstellung flächendeckender bzw. räumlicher Parameterverteilungen sowie statistische Tests zur Übertragbarkeit der Ergebnisse werden diskutiert. Abschließend wird die praktische Umsetzung der Ergebnisse am Beispiel von Standsicherheitsuntersuchungen für die Uferböschung eines Tagebaurestsees dargestellt.

Basierend auf einer Analyse der spezifischen Merkmale der Drucksondierung (DS) und der radiometrischen Kombinationsdrucksondierung (KDS) sowie einer Dimensionsanalyse wurde ein Verfahren zur Aufstellung materialspezifischer Korrelationsbeziehungen zwischen den Messgrößen der Drucksondierung und den bei der KDS gewonnenen bodenphysikalischen Parametern Porenanteil, Dichte und Feinkornanteil entwickelt, wodurch die Effizienz von Drucksondierungen signifikant erhöht werden konnte. Es wird anhand geostatistischer Untersuchungen gezeigt, wie der für flächendeckende Untersuchungen erforderliche Mindestabstand zwischen Sondieransatzpunkten bestimmt werden kann. Möglichkeiten der Darstellung flächendeckender bzw. räumlicher Parameterverteilungen sowie statistische Tests zur Übertragbarkeit der Ergebnisse werden diskutiert. Abschließend wird die praktische Umsetzung der Ergebnisse am Beispiel von Standsicherheitsuntersuchungen für die Uferböschung eines Tagebaurestsees dargestellt.

Wie navigieren Menschen in unüberschaubaren Umgebungen, wenn es nicht möglich ist, alle Optionen ausführlich zu untersuchen? Die Forschung zum menschlichen Lernen hat in den letzten Jahrzehnten rasche Fortschritte gemacht: Von der Entdeckung des neuronalen Substrats für Vorhersagefehler bis hin zur Verwendung ähnlicher Prinzipien zum Aufbau künstlicher Intelligenz, die in Geschicklichkeitsspielen wie Go die besten menschlichen Spieler schlagen kann. Bisher lag der Forschungsschwerpunkt auf dem Lernen durch wiederholte Interaktionen mit ein und derselben Situation. Dabei ist ungeklärt, wie Menschen sich schnell an neue Situationen anpassen können und aus spärlichen Beispielen lernen können. Wir schlagen vor, dass die Generalisierung eine wesentliche Rolle dabei spielt, wie Men- schen effizient die Welt erforschen und sich in ihr zurechtfinden. Inspiriert von Roger Shepards „law of generalization“ präsentieren wir eine allgemeine Theorie der Generalisierung in räumlichen, konzeptuellen und strukturierten Umgebungen. Wir verwenden ein Funktionslernmodell, um zu beschreiben, wie Menschen begrenzte Erfahrungen auf eine Vielzahl neuer Situationen generalisieren, basierend auf dem einfachen Prinzip, dass ähnliche Aktionen zu ähnlichen Ergebnissen führen. Unser Modell der Generalisierung erzeugt Vorhersagen über die erwartete Belohnung und die damit verbundene Unsicherheit unerforschter Optionen—zwei wichtige Komponenten dafür, wie Menschen die Welt aktiv erkunden. / How do people navigate the vastness of real-world environments where it is not feasible to explore all possibilities and the exact same situation is rarely encountered twice? The study of human learning has made rapid progress in the past decades, from discovering the neural substrate of reward prediction errors, to using similar principles to build artificial intelligence capable of beating the best human players in skillful games such as Go. Yet this line of research has primarily focused on learning through repeated interactions with the same stimuli. How are humans able to rapidly adapt to novel situations and learn from such sparse examples? We propose that generalization plays a crucial role in guiding human exploration and learning. Inspired by Roger Shepard’s law of generalization, we present a domain general theory of generalization across spatial, conceptual, and structured environments. We use a function learning model to describe how people generalize limited experiences to a wide set of novel possibilities, based on the simple principle that similar actions produce similar outcomes. Our model of generalization generates predictions about the expected reward and underlying uncertainty of unexplored options, where both are vital components in how people actively explore the world.

Considering the ever-growing global demand for raw materials and the complexity of the geological deposits that are still to be found, high-quality extensive mineralogical information is required. Mineral exploration remains a risk-prone process, with empirical approaches prevailing over data-driven strategy. Amongst the many ways to innovate, hyperspectral imaging sensors for drill-core mineral mapping are one of the disruptive technologies. This potential could be multiplied by implementing machine learning. This dissertation introduces a workflow that allows the use of supervised learning to map minerals by means of ancillary data commonly acquired during exploration campaigns (i.e., mineralogy, geochemistry and core photography). The fusion of hyperspectral with such ancillary data allows not only to upscale to complete boreholes information acquired locally, but also to enhance the spatial resolution of the mineral maps. Thus, the proposed approaches provide digitally archived objective maps that serve as vectors for exploration and support geologists in their decision making.:List of Figures xviii List of Tables xix List of Acronyms xxi 1 Introduction 1 1.1 Mineral resources and the need for innovation . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Spectroscopy and hyperspectral imaging . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.1 Imaging spectroscopy ....................... 6 1.2.2 Spectroscopy of minerals ..................... 8 1.2.3 Mineral mapping.......................... 12 1.2.4 Mineral mapping in exploration ................. 15 1.2.5 Drill-core mineral mapping.................... 16 1.3 Machine learning .............................. 19 1.3.1 Supervised learning for drill-core hyperspectral data . . . . . 20 1.4 Motivation and approach ......................... 22 2 Hyperspectral mineral mapping using supervised learning and mineralogical data 25 Preface ....................................... 25 Abstract....................................... 26 2.1 Introduction ................................. 27 2.2 Data acquisition............................... 30 2.2.1 Hyperspectral data......................... 30 2.2.2 High-resolution mineralogica ldata . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3 Proposed system architecture ....................... 33 2.3.1 Re-sampling and co-registration ................. 33 2.3.2 Classification ............................ 35 2.4 Experimental results ............................ 36 2.4.1 Data description .......................... 36 2.4.2 Experimental setup......................... 37 2.4.3 Quantitative and qualitative assessment . . . . . . . . . . . . . 37 2.5 Discussion.................................. 40 2.6 Conclusion.................................. 42 3 Geochemical and hyperspectral data integration 45 Preface ....................................... 45 Abstract....................................... 46 3.1 Introduction ................................. 47 3.2 Basis for the integration of geochemical and hyperspectral data . . . 50 3.3 Proposed approach ............................. 51 3.3.1 Geochemical data labeling..................... 51 3.3.2 Superpixel segmentation ..................... 53 3.3.3 Classification ............................ 53 3.4 Experimental results ............................ 54 3.4.1 Data description .......................... 54 3.4.2 Data acquisition........................... 55 3.4.3 Experimental setup......................... 55 3.4.4 Assessment of the geochemical data labeling . . . . . . . . . . 58 3.4.5 Quantitative and Qualitative Assessment . . . . . . . . . . . . 58 3.5 Discussion.................................. 61 3.6 Conclusion.................................. 63 4 Improved spatial resolution for mineral mapping 65 Preface ....................................... 65 Abstract....................................... 66 4.1 Introduction ................................. 67 4.2 Methods: Resolution Enhancement for Mineral Mapping . . . . . . . 69 4.2.1 Hyperspectral Resolution Enhancement . . . . . . . . . . . . . 69 4.2.2 Mineral Mapping.......................... 71 4.2.3 Supervised Classification ..................... 71 4.3 Case Study.................................. 72 4.3.1 Data Acquisition .......................... 72 4.3.2 Resolution Enhancement Application . . . . . . . . . . . . . . 74 4.3.3 Evaluation of the Resolution Enhancement . . . . . . . . . . . 75 4.4 Results .................................... 76 4.4.1 Mineral Mapping.......................... 76 4.4.2 Supervised Classification ..................... 77 4.4.3 Validation .............................. 80 4.5 Discussion.................................. 82 4.6 Conclusions ................................. 84 5 Bibliography 92